Energía geotérmica

La energía geotérmica es referida como la energía en forma de calor natural almacenado en el  interior de la tierra.  El calor total contenido en la Tierra se estima del orden de 1.26 x 10³¹ J y  en la corteza terrestre se calcula en 5.4 x 10²⁷ J (Dickson y Fanelli, 2005). El flujo de calor en la  tierra tiene dos contribuciones. El primero corresponde al 70%, causado por el calor generado  a partir de isótopos radiactivos en la corteza continental, específicamente el Uranio [²³⁸U, 

235U], el Torio [²³²Th] y el Potasio [⁴⁰K]. El segundo corresponde al 30% que está relacionado  con el flujo de calor desde el núcleo y el manto hacia la superficie [Figura 1] (Stober y Bucher,  2013). El flujo de calor promedio que se da a través de la corteza terrestre es del orden de 65 

mW/m² y 101 mW/m² en suelo marino (MIT, 2006; Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐Alvarado, 2010; 

Stober y Bucher, 2013). La conductividad térmica de las rocas de los sistemas geotérmicos es  baja, por lo que se requiere mucho tiempo para agotar este recurso geotérmico (Gutiérrez y  Torres‐Alvarado, 2010), por lo tanto, la geotermia se considera como una fuente natural de  energía renovable y casi ilimitado si se explota de manera racional y sustentable.  

Figura 1. Estructura interna de la Tierra (tomado y modificado de Stober y Bucher, 2013) 

El inicio de la geotermia fue a principios del siglo XIX en Larderello, Italia, donde se extraía  ácido bórico evaporando el agua caliente de los manantiales. En 1827, Francesco Larderel  inventó un proceso de evaporación, usando la energía de la misma agua caliente. Después, se  transformó la energía del vapor en energía mecánica, mediante un sistema rudimentario de  bombeo del agua con inyección de vapor. En 1904, Piero Ginori Conti construyó el primer  generador eléctrico accionado por vapor geotérmico. Actualmente, la geotermia ha alcanzado  una mayor madurez tanto económica como tecnológica y con bajas emisiones a la atmosfera  (bajas emisiones de gases de efecto invernadero), la cual se utiliza para (Lund y Boyd, 2016): (i)  generación de energía eléctrica; (ii) clima de edificaciones o viviendas mediante bombas de  calor geotérmicas (principal uso directo de la geotermia); (iii) calentamiento en invernaderos; 

(iv) criaderos de peces; (v) usos industriales (p. ej., secado de madera, harina de pescado o  productos agrícolas); y (vi) balneología y turismo.    

La Figura 2, muestra el modelo conceptual de un sistema geotérmico hidrotermal el cual  involucra una fuente de calor primaria, que en la mayoría de los campos geotérmicos es una  cámara magmática, en la cual el magma proviene del manto y no alcanza a llegar a la  superficie, quedando alojado a profundidades entre 5 y 10 km, en donde se calientan grandes  volúmenes de roca y los fluidos confinados en el reservorio (principalmente fluidos pluviales y  magmáticos),  los  cuales  dan  origen  a  la  formación  de  los  sistemas  geotérmicos  con  temperaturas mayores a los 250 °C (Stober y Bucher, 2013). La generación de energía eléctrica  requiere entonces transformar y aprovechar la energía térmica de los fluidos, por lo tanto, se  tiene un proceso de conversión de energía, es decir, de energía térmica (de los fluidos),  energía mecánica (el paso de los fluidos en fase vapor o mezcla de vapor y agua a las turbinas)  a energía eléctrica (generada en las turbinas y disponible para su uso).  

Figura 2. Modelo conceptual de un sistema geotérmicos hidrotermal (tomado de Dickson y Fanelli, 2005)  En campos geotérmicos y zonas con potencial geotérmico, el gradiente geotérmico es mayor  que el gradiente normal (valor promedio de 33 °C/km) y los fluidos (vapor y/o agua) se pueden  encontrar a temperaturas entre 200 °C y 300 °C, a profundidades entre 2 km a 3 km, incluso,  se han reportado sitios, como el campo geotérmico de Kakkonda en Japón en donde las  temperaturas alcanzan los 500 °C (Muraoka et al., 1998, Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐Alvarado,  2010; Lund y Boyd, 2016). En la actualidad se han identificado ocho tipos de sistemas  geotérmicos (Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐Alvarado, 2010): 

Sistemas  hidrotermales.  También  conocidos  como  sistemas  o  yacimientos  geotérmicos  convencionales y los únicos actualmente comerciales para la generación de energía eléctrica y  usos directos (ver Figura 2). En estos sistemas, el fluido geotérmico es de origen pluvial o  meteórico que se infiltra a través de poros y fracturas al reservorio, en donde es calentada por  la roca y puede alcanzar temperaturas mayores a los 250 °C. Los sistemas hidrotermales se  pueden clasificar en yacimientos de vapor dominante y líquido dominante (de alta, mediana y  baja entalpía) y, pueden estar asociados a sistemas volcánicos (Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐

Alvarado, 2010; Stober y Bucher, 2013). 

Sistemas geotérmicos mejorados (SGM). Los SGMs o de roca seca caliente, en la actualidad no  son comerciales, pero ofrecen mayor potencial geotérmico que los sistemas hidrotermales. 

Este recurso geotérmico se encuentra disponible a profundidades entre 3 y 10 km con  temperaturas mayores a 200 °C. Lo interesante de estos sistemas es el calor almacenado en la  roca caliente y la baja o nula permeabilidad [presencia de fluidos] (Stober y Bucher, 2013). La  explotación de los SGMs requiere crear de manera artificial fracturamiento hidráulico en la  roca seca caliente, inyectar agua a través de un pozo inyector, la cual después de alcanzar una  mayor temperatura, es extraída mediante un pozo productor, para finalmente utilizarla para la  generación de energía eléctrica. Actualmente, países como Australia, Francia, Suiza, Inglaterra,  Japón y EE.UU., realizan investigación a través de proyectos pilotos para su aprovechamiento  en el futuro (Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐Alvarado, 2010; Stober y Bucher, 2013) y estudios de 

Sistemas geopresurizados. Son yacimientos alojados en roca sedimentaria que contienen agua  y metano disuelto a alta presión (700 bar) con temperaturas menores a 200 °C (Sanyal, 2010). 

Estos sistemas ofrecer energía térmica (agua caliente), química (metano) y mecánica (flujo de  fluidos con alta presión). No se explotan en la actualidad y en México no se ha estimado el  potencial de este recurso (Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐Alvarado, 2010).  

Sistemas geotérmicos conductivos  sedimentarios. Son  yacimientos  con  recursos de  baja  entalpía [temperaturas menores a 90 °C] (Lund y Boyd, 2016). Actualmente, Argentina,  Jordania, Croacia, República Checa, Austria, Francia, Grecia e Irlanda, utilizan la energía  geotérmica  de  estos  sistemas  para  usos  directo,  principalmente  bombas  de  calor  e  invernaderos (Lund y Boyd, 2016). 

Sistemas marinos. Yacimientos de alta entalpía (mayor a los 300 °C) en el fondo marino, con  manifestados hidrotermales en forma de chimeneas. Actualmente no son comerciales, pero  ofrecen mayor potencial geotérmico que los sistemas SGMs e hidrotermales. Se han localizado  este tipo de sistemas en el Golfo de California con flujos de calor de hasta 12 W/m² (Suárez‐

Arriaga, 2004; Prol‐Ledesma et al., 2013; Suárez‐Arriaga et al., 2014). 

Sistemas magmáticos. Sistemas de roca fundida asociados a cámaras magmáticas de volcanes  activos (p. ej. Popocatépetl, Fuego de Colima, Ceboruco, Pico de Orizaba y Tacaná). Estos  recursos son de alta entalpía (temperatura mayor a 800 °C) y no se explotan en la actualidad  ya que no se ha desarrollado tecnología para resistir las altas temperaturas y la corrosión  (Wohletz y Heiken, 1992; Santoyo‐Gutiérrez y Torres‐Alvarado, 2010).  

Sistemas geotérmicos de agua caliente asociado con yacimientos de petróleo y gas. Es el calor  contenido en el agua producida en pozos profundos de petróleo o gas (Davis y Michaelides,  2009; Santoyo‐Gutiérrez  y  Torres‐Alvarado, 2010). Estos  recursos no se explotan en  la  actualidad y se desconoce el potencial térmico disponible que estos sistemas pueden ofrecer. 

Sistemas geotérmicos supercríticos. Son yacimientos profundos con  presencia de fluidos  geotérmicos con temperaturas mayores a los 500 °C. Estos sistemas pueden contener hasta 4  veces más energía que los sistemas hidrotermales (Friðleifsson y Elders, 2005; Santoyo‐

Gutiérrez y Torres‐Alvarado, 2010; Friðleifsson et al., 2014; Fowler et al., 2015). Actualmente  en Islandia, en la península de Reykjanes, se lleva a cabo el proyecto de perforación profunda  (un proyecto a largo plazo) para investigar sistemas geotérmicos no convencionales a alta  temperatura (Friðleifsson y Elders, 2005; Friðleifsson et al., 2014; Fowler et al., 2015).